автореферат диссертации по геодезии, 05.24.03, диссертация на тему:Технология оперативной подготовки тематических электронных карт

Р Г Б ОД

1 3 УАЙ 1336

ТЕХНОЛОГИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ПОДГОТОВКИ ТЕМАТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ КАРТ

05.24.03 "Картография"

На правах рукописи УДК 528.94

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск -19%

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии строительства

Научный руководитель ' доктор технических наук,

профессор Конусова Г.И.

Официальные оппоненты:

Защита состоится "23" мая 1996г. в 15 чягов на заседании диссертационного совета Д 064.14.01 в Сибирской государственной геодезической академии по адресу!630108 г. Новосибирск, 108, ул. Плахотного, 10, СГГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА

Автореферат разослан "20" апреля 1996г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, профессор Маликов В.Н. кандидат технических наук Черкасов С.А.

Ведущая организация Центр "Сибгеоинформ'

диссертационного совета

Середович В.А.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена проблемам создания и использования электронных оперативных тематических карт.

Под электронной будем понимать цифровую карту, визуализированную с использованием программных и технических средств в принятой системе условных знаков, предназначенную для отобра'кр-ния и анализа явлений, л также решения множества задач с использованием дополнительной ^информации (ГОСТ 28441-90).

Внимание акцентируется :на оперативных картах. Так.названы карты, в которых исходной информацией для создания цифровой карты.визуализированной на экране 'монитора, служат математичег кие, физико-математические или иные 'модели пространствен но-распространенных явлений, т.е. данные, не формализованные в картографическом смысле Сне :карты).

В силу того, что исходная информация, составляющая тематическое содержание электронной карты, 'не формализована картографически, то в общепринятой смысле (в рамках существующей технологии) может быть 'визуализирована только общегеографическая основа, т. е.цифровая карта соответствующего участка местности .

Процесс трансформаций 'исходной картографически неорганизованной цифровой информации в содержание тематической электронной "-карты является оояовдт «въектом 'Исследования данной дне -оершда. Йоэгоиу герм "технология'" <в здаисй 'исследовании приинняется в «неяа кешштершх Тфео^азьШййЙ йсхойноЙ" 'цифровой модели ярехмерйот) 'О'бъеета 8 ежокуйййй^ь ¡даь%к№в 'базы картографических данных и их визуализации.

Актуалштогь таи, Иоедеянйе года •Вмлй отмечены повышенным вниманием мировой тзвщестедааоя! к проблеме убтайчийога разпи тля, ойеснечивагощего Катан?; тавд рмейша шшш^о-зйшм!-ческих задач и сохранением охруэшгщей сред» ^кшфершмя ЧЩ тга окружающей среда и развитию, РйО-ие-ИЩёйрй 1392 г.). Актуальна проблема прогноза последствий приршю катастроф и айтропотех -иогенной деятельности человека на окрушвдв «риреднуэт среду и здоровье населения. Разрабатываются систем! ййф'ормаайочно'го >м тематического обеспечения, позволяющие наэмдать компромисс Меж. ду экономической внгодой й экологической веэзпаснйсть'ю Ьрй реа лизании государственных или региональных тгй»етшго'кнкх триграмм. Базисом таких систем являются допели, йПособмш псюш

вать сценарии эволюции природной среды и здоровья населения в зависимости от степени антропогенной и природной аномальной нагрузки. Такие модели кладутся в основу информационного обес- ' печения экологического мониторинга, экспертных оценок и прогноза как при планируемых нагрузках на окружающую среду, так и при чрезвычайных ситуациях.

Наиболее емкой, наглядной и интуитивно понятной формой представления результатов моделирования изучаемого явления и взаимосвязей различных явлений являются карты. Наличие карты позволяет специалистам применить картографический метод исследования проблемы, расширяющий возможности и эффективность территориального, компонентного и временного анализа процессов и явлений, их взаимосвязей и взаимообусловленностей.

Целью данной диссертации является разработка универсальной (ориентированной на карты различной тематики) технологии получения оперативных электронных тематических карт, удовлетворяющей стандартам ГИС.

Для достижения изложенной выше цели в диссертации были поставлены следующие задачи: I

- провести анализ современного состояния картосоставления на ПЭВМ;

- выделить цели и задачи оперативного картосоставления;

- исследовать технологические этапы получения тематических оперативных карт на ПЭВМ с точки зрения алгоритмической основы программного обеспечения;

- теоретически обосновать применение алгоритмов вычислительной геометрии для формирования единого алгоритмического обеспечения этапов предлагаемой технологии как для цифровой, так и для графической информации об явлении;

- сформулировать задачи основного этапа технологии оперативного электронного картосоставления - расчленения исходной цифровой трехмерной модели явления на картографические объекты - в терминах геометрии прямоугольников;

- развить алгоритм геометрии прямоугольников "Контур объединения прямоугольников" для задач картографии;

- теоретически обосновать и корректно, с позиции вычислительной геометрии, сформулировать задачи исследования по электронной карте на основе изслинейного метола отображения;

Научная новизна работы состоит в том, что работа посвящена:

- разработке универсальной технолргии оперативного карто-составления. ориентированной на карты различной тематики с использованием изолинейного метода отображения картографической информации;

- выполнению теоретических и экспериментальных исследований по составлению тематической карты на экране ПЭВМ на основе трехмерной цифровой модели явления (т. е. на основе картографически неорганизованной информации);

- разработке алгоритмов и программ, реализующих данную технологию на ПЭВМ;

Достоверность полученных результатов проверена прямым путем: сопоставлением вычислений с данными измерений.

Практическая и научная ценность работы состоит в том, что:

- предложенная технология оперативного картосоставления позволяет получить тематическую электронную карту как на основе неформализованной в картографическом смысле информации, так и на основе картографических баз данных (векторных и матричных);

- развитие алгоритма геометрии прямоугольников "Метод плоского заметания по дереву отрезков" для задач картографии позволило не только концептуально связать различные этапы технологии создания и исследования оперативных электронных карт в одну задачу вычислительной геометрии, но и разработать универсальные программные средства для всех этапов технологии;

- применение алгоритма геометрии прямоугольников непосредственно для манипуляций с нелинейно организованной памятью буфера кадра позволило сохранить привычный для пользователя интерфейс и одновременно решить задачу визуализации и варьирования графического представления информации на общей с другими технологическими этапами алгоритмической основе; ,

- разработанный алгоритм для отслеживания картографических объектов по цифровой модели явления универсален: применим для любых цифровых моделей на прямоугольной сетке и для объектов с любым количеством компонент связности и с экранированием участков;

- разработанный комплекс программ моделирования структурных линий трехмерной модели позволяет за счет сгущения ИДИ по-

высить качество моделирования;

- разработанные алгоритмы,-и, программы автоматического управления формой сплайна позволяет. строить сплайн, обладающий малой "инерционность»", что позволяет резко улучшить качество отслеживания линейных объектов;

В предложенном. виде технология оперативной подготовки те. матических электронных карт обладает рядом преимуществ и представляет собой опрел--ионный вклад в развитие электронного карто-составления. Она лишена аирипичлошн аигоритмической основы, сочетает' в себе вычислительную эффективность с надежностью теоретического обоснования унифицированных алгоритмов, достаточной для решения практических задач с использованием электронных оперативных карт.

На защиту выносятся следующие разработки автора:

- технология оперативной,.подготовки- тематических

карт на ПЭВМ по ЦМЯ на основе алгоритмов вычислительной геометрии;

- рекомендации., до осуществлена» исследования по визуализи-ррванной цифровой., модели., явления.«с помощью картографического метода;

- интерпретация задачи.расчленения исходной, цифровой информации. на объекты карты в- терминологии задачи геометрии прямоугольников "Контур объединения прямоугольников": развитие ал горитма и его программная реализация;

- комплекс программ моделирования структурных линий, управления формой сплайна, отслеживания изслиний при наличии экранируемых участков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: научно-технический семинар картографического факультета МИИГАИК (Москва, март 1992); научно-технические конференции Новосибирского инженерно-строительного института (1991x1996-); Вторая;<международиая научно-техническая конферен-ц»1я.-"Актуалвдый.-пррблемы-.Фундаментальных наук" (Москва, январь 3994); расширенный; семинар кафедра-, картографии СГГА (март 1996)

Внедрение. Результаты диссертационных исследований внедрены в научно-исследовательском институте прикладной геодезии г. Новосибирска, в Главном управлении архитектуры и градострси-

тельства Краснодарского горисполкома, в хозрасчетных центрах научно-технических услуг "Алекс" и "ПС-Гео" Западно-Сибирского территориального правления общества геодезии, аэрокосмических съемок и картографии.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в работах:

- Баланчук Т.Т. Анализ технологических этапов получения оперативных технических карт на ПЭВМ// Исследования в области цифрового картографирования. ГИС - технологий и кадастра: Науч.

- техн. сб. по геодезии, аэрокосмическим съемкам и картографии.

- М.: ЦНИИГАИК, 1995. с. 65 - 81.

- Баланчук Т. Т. ОС отслеживании горизонталей на нерегулярной сетке// Научн.-техн. сб. по геодезии аэрокосмическим съемкам и картографии/ Применение электронно-вычислительной техники в топографо-геодезическом производстве. - М.: ЦНИИГАиК, 1992. с. 16-20.

- Баланчук Т.Т., Воротынцев А.Г., Конусова Г.И. О создании электронных экологических карт// Научн.-техн. сб. по геодезии аэрокосмическим съемкам и картографии/ Применение электронно-вычислительной техники в топографо-геодезическом производстве. - М.: ЦНИИГАиК. 1992. С. 42-48.

- Баланчук Т.Т., Воротынцев А.Г. Линейные объекты в задачах цифрового моделирования рельефа // Современные информационные технологии крупномасштабного картографирования на базе IBM PC. Инф. сб. Вып. 1. - М. : ЦНИИГАиК, 1992. с. 29-34.

- Баланчук Т.Т., Воротынцев А.Г. Комплекс программ моделирования рельефа для ПЭВМ // Межвед. сб. научн. тр. / Геодезическое обеспечение строительства, монтажа и эксплуатации инженерных сооружений.- М.: ЦНИИГАиК. 1991. с. 53-56.

- Баланчук Т.Т., Воротынцев А.Г. Контроль исходной цифровой информации при построении ЦМР // Межвед. сб. научн. тр. / Геодезическое обеспечение строительства, монтажа и эксплуатации инженерных сооружений. - М.: ЦНИИГАиК, 1991. с. 62-65.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации объемом 110 страниц включает введение, 4 главы , заключение , список сокращений, список использованной литературы из 110 наименований, 4 рисунка и 1 схему. К тексту прилагается 6 графических приложений и 4 справки о внедрении.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В первой главе диссертации проведен анализ состояния современного электронного картосоставления, особенностей технологии получения электронных карт и исследований явлений с их помощь».

Выделены два подхода к получению электронных карт: в первом - исходой цифровой информацией (ИЦИ) служит база картографических данных, полученных в результате цифрования аналогичной по тематике настольной карты, а во втором - ИЦИ служит цифровая модель трехмерного объекта картографирования, представляющая собой картографически неорганизованную информацию, например, физико-математическая модель распространения вредных примесей в пограничном слое атмосферы.

Определены особенности и специфика технологии оперативного электронного картосоставления. Выделены основные технологические этапы:

- формирование цифровой модели явления;

- отслеживание объектов будущей базы данных;

- визуализация элементов базы данных в виде элементов карты на экране ПЭВМ;

Системный анализ технологии и перечисленных этапов позволил сделать следующий вывод: для того, чтобы разрабатываемая технология была Универсальной и корректной с точки зрения информатики. необходимо этапы отслеживания объектов и визуализации описать на едином языке и представить, как частные случаи решения некоторой математической задачи. Тот факт, что цифровая модель явления представляет из себя квадратную сетку с заключенными в ее узлах значениями некоторой функции, изображение на экране монитора - квадратную сетку пикселов с различным уровнем свечения (тоже значения функции), а отслеженный объект - список узлов сетки или номеров пикселов с определенными значениями в них. позволяет сформулировать решаемые задачи в терминах геометрии прямоугольников.

Выбор единого языка и аппарата вычислительной геометрии для обоснования и абстрактного описания технологии оперативного электронного картосоставления позволил увидеть геометрическую связь ее этапов и возможность варьирования очередности их еле-

дования и применить универсальные алгоритмы для их программной реализации. Это обусловило использование предлагаемой технологии для создания карт различной тематики, с различной организацией исходных данных, а также для картографического метода исследования.

Во второй главе описан технологический этап отслеживания объектов картографической базы данных по первоначальной полной матрице значений цифровой модели явления. Основные понятия и определения задачи отслеживания объектов даны в терминах геометрии треугольников.

В итоге исследований предложен и описан алгоритм "Контур объединения прямоугольников" (Алгоритм 1). адаптированный для задач электронного картосоставлекия, рекомендовано его применение для различных баз данных, различных сеток цифровых моделей и для специальных исследования по электронным картам.

Третья глава посвящена технологическому этапу визуализации отслеженных объектов базы данных в виде элементов карты. В ней рассмотрены особенности этапа, требования к визуализации при оперативном картосоставлении, обоснование целесообразности прямой модификаций нелинейно организованней памяти видеобуфера при визуализации цифровой модели явления. Предложен Алгоритм 2 для решения задачи визуализации линейных и площадных объектов базы данных, как частный случай реализации алгоритма "Контур объединения прямоугольников". ПрсЕеден анализ области применения Алгоритма 2. даны рекомендации по его использование для анализа явлений по электронным картам и при получении производных карт.

В четвертой главе списаны экспериментальные исследования, целья которых является проверка технологии, основанной на Алгоритмах I и 2 для работы с цифровыми моделями, полученными как на основе картографически организованной информации (цифровая модель рельефа) так и картографически неорганизованной (Физико-математическая модель распространения вредных и опасных примесей ь пограничном планетарном слое) .

Предложен и описан комплекс программ моделирования рельефа. предназначенный для создания цифровых моделей на участках с произвольными границами, с гладкой поверхностью и с поверхностью. имеющей разрывы, для моделирования топографических поверхностей. являвшихся несвязными, одно- и кногосаязными облас-

тями, а также для согласования топографической поверхности и ситуацией моделируемого участка местности. Результаты работы комплекса представлены в цифровой форме, но отслеживание горизонталей и экранирование объектов (учет ситуации) осуществлялся с помощью Алгоритмов 1 и 2. Работа комплекса программ была проверена на тестовых примерах заказчиков и пользователей, что позволило на реальных исходных данных убедиться в удовлетворительной работе Алгоритмов 1 и 2. Комплекс программ внедрен на ряде предприятий.

Вместе с тем предложен комплекс программ автоматического управления формой кривой. Он применим, как для улучшения качества цифрового моделирования поверхностей, так и для аппроксимации изолиний, отслеженных по цифровой модели любого трехмерного объекта, например.цифровой модели рельефа местности, цифровой модели распространения вредных и' опасных примесей в атмосфере и т. п.

Эксперименты по получению вариантов оперативней карты на экране монитора выполнены для явления распространения вредных и опасных (химических и радиоактивных) примесей в атмосфере. Основу эксперимента составляет визуализация на экране монитора физико-математической модели распространения примесей в планетарном пограничном слое (ППС) атмосферы от различных источников. Модель разработана в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН.

В проведенных экспериментах по визуализации трехмерной модели. согласно цели исследования, показано, что алгоритмы предлагаемой технологической системы работют без модификаций на любой предоставленной для обработки модели и позволяют выдать результаты моделирования в виде карты на экране монитора. •

Для эксперимента использовались варианты просчета результатов моделирования турбулентного . переноса в ППС. которые представляют собой значения безразмерной концентрации примеси на высоте 1 метр от поверхности Земли (на 8 и 15 часов после выброса), вычисленные в узлах квадратной сетки, покрывающей область моделирования. Для расчетов были заданы: мощность высро-са. высота и плановые координаты источника, скорость и направление ветра и неровности подстилающей поверхности (ЦММ).

ЦММ рассчитана на окно моделирования в масштабе 1:100000.

Элементами содержания ЦММ являются: гидрография, дорожная сеть, кварталы застройки - с полнотой, позволяющей воспринимать специальное содержание карты. В процессе работы масштаб карт, получаемых на экране монитора варьировался.

Специальное содержание карты составляет загрязнение атмосферы на высоте 1 метр от поверхности Земли, выраженное в безразмерной концентрации вредных и опасных (но пассивных, то есть не вступающих в химические реакции в атмосфере) примесей.

Были намечены и выполнены эксперименты по визуализации результатов моделирования в динамике (на 8 и 15 часов после выброса), методом количественного фона, изолинейным методом и в комбинации этих двух методов .

Эксперименты из описанной серии технологически состояли в следующем:

- рассчитаны результаты моделирования на сетке 1600*2594, совпадающей с размерностью сетки пикселов окна на экране монитора, как элемент матричной базы данных, а именно, как полная матрица значений;

- заюлнена память видеобуфера кодами интенсивности свечения, соответствующими различным оттенкам серого (любого) цвета (полученные видеомодули соответствуют изображению, копии которого представлена в Приложениях 1);

- отслежены с помощью Алгоритма 1 границы областей с различными кодами интенсивности свечения;

- модифицирована память видеобуфера: заполнением с помощью Алгоритма 2 только ячеек, соответствующих границам областей одинакового свечения, или. комбинацией свечение граничных и внутренних точек были получены видеомодули соответствующих изображений, копии которых представлены в Приложениях 2 и 3);

- полученное изображение совмещено с общегеографичзской основой; *

В Приложениях 1-6 представлены твердые копии с вариантов элетрснной карты "Распространение вредных примесей в атмосфере города :;-ска " . полученные по одной и той же численной реализации физико-математической модели турбулентного переноса в ППС, выполненной на квадратней сетке 1600*2584, совпадающей по размерности с сеткой пикселов окна экрана монитора.

Выполненные эксперименты позволяют сделать следующие выво-

ды:

1. Приложения 1-4 представляют собой вариант карты, полученный путем прямой визуализации цифровой модели явления распространения примесей в ППС. Такой вид визуализации результатов моделирования приемлем для констатационных карт, тематическое содержание передано методом количественного фона. Представление результатов моделирования в виде карты может обеспечить процесс принятия решений при исследовании явлений или наблюдений за явлением. Действительно, на Приложении 1 сразу визуально выделяется область повышенного загрязнения в случае возможного выброса. что позволяет концентрировать внимание пользователя именно на этой территории.

2. Приложения 2, 3 и 5 можно воспринимать как карты соответствующей тематики, специальная информация о загрязнении атмосферы на них представлена различными способами (в виде линейных и площадных объектов), которым могут быть поставлены в соответствие объекты базы данных . при условии сообщения им семантических признаков (геометрически объекты отслежены). Здесь речь идет о расчленении на картографические объекты первоначальной полной матрицы значений.

3. Б Приложении 6 представлено на одном изображении два явления: распространения вредных примесей в атмосфере города и распространение повышенной детской заболеваемости. Несмотря на то. что на полученном варианте карты не построено оверлея (области. где эти явления наблюдаются одновременно), взаимосвязь этих явлений легко устанавливается визуально.

4. Выполненные эксперименты подтвердили возможность использования Алгоритмов 1 и 2 для визуализации трехмерных моделей явлений без предварительно;: доработки. Это свидетельствует -об унификации Алгоритмов и основанной на них технологии получения оперативных карт на экране с растровой графикой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

- предложена универсальная технология подготовки оперативных тематических карт и картографических материалов на ПЭЕМ. ориентированная на изолинейный метод отображения информации и на карты любой тематики:

- все этапы данной технологии теоретически обоснованы;

- все этапы описанной технологии алгоритмически разработаны как частные случаи единой задачи вычислительной геометрии "Контур объединения прямоугольников";

- теоретически обоснован, сформулирован в терминах вычислительной геометрии и реализован картографический метод исследования по электронной карте на основе изолинейного метода отображения в рамках программных средств предложенной технологии;

- программные средства, реализующие предложенную технологию. унифицированы для получения различных по тематике карт;

~ выполнены георетческие и экспериментальные исследования по получению электронной карты на основе различных по своей организации данных (физико-математическая модель рапространения вредных и опасных примесей в атмосфере, и цифровая модель местности. построенная по базе топографических данных из АКС);

- разработаны алгоритм и программа моделирования структурных линий трехмерной цифровой модели для сгущения ИЦИ;

- разработаны алгоритм и программа автоматического расчленения ИЦИ на объекты БД (точечные, линейные, площадные);

- разработаны алгоритм и программа автоматического управления формой сплайна, позволяющие улучшить качество отслеживания объектов по ЦМЯ.

Эти разработки имеют следующие особенности:

- все разработки выполнены в целочисленной арифметике с использованием оригинальных упаковок информации в расчете на 32-х разрядный процессор:

- все разработки выполнены с общими структурами данных и широкой возможность адаптации к ГИС;

- ГИС может быть векторной и матричной;

- исходная информация может быть картографически формализована и не формализована;

- графика может быть только растровой.

Естественным дальнейшим развитием этих разработок является их интеграция с конкретными ГИС для получения различных тематических карт, или использование в качестве служебных подпрограмм в системах физико-математического моделирования, явлений, кг.ч средство для реализации картографического метода исследования многокомпонентных, пространственно-распространенных явлений.

Приложение 1. Копия электронной карты "Распространение вредных примесей в атмосфере г. И-ска"(первый вариант)

- 15 -

Приложение 2. Копия электронной карты "Распространение вредных примесей в атмосфере г. №-ска"(второй вариант)